En ny type superopløselig kemisk mikroskopi

Konventionelle eksperimenter inden for kemi og biologi studerer de to adfærd, men det har været en vedvarende videnskabelig udfordring for forskere at observere, manipulere og måle de kemiske reaktioner af individuelle molekyler.

Som svar på denne udfordring, Prof. Feng Jiandong fra Institut for Kemi ved Zhejiang University har forpligtet sig til at udvikle tværfaglige enkeltmolekyle teknikker og instrumenter til at observere enkeltmolekylære kemiske reaktioner i opløsning. For nylig, Feng og hans kolleger har udviklet en ny teknik til direkte billeddannelse af enkeltmolekyle elektrokemiske reaktioner i opløsning med ultrahøj rumlig opløsning. Denne teknik viser vigtige anvendelser inden for kemisk billeddannelse og biologisk billeddannelse såsom billeddannelsesmikrostrukturer og celler med nanometeropløsning. Forskningsresultatet er udgivet som en omslagshistorie af 11. august -udgaven af Natur .

I sammenligning med fluorescensbilleddannelse, elektrokemiluminescens (ECL) billeddannelse kræver ikke brug af excitationslys, så der er minimal baggrund. ECL er et vigtigt værktøj til in vitro immunodiagnose, som kræver ultrahøj følsomhed for at løse svage signaler. På nuværende tidspunkt, der er to store udfordringer på ECL -området. Først, det er afgørende vigtigt for enkeltmolekylassays, at ECL-signaler kan måles og afbildes på svagt eller endda enkeltmolekylært niveau. Sekund, det er af enorm betydning for kemisk og biologisk billeddannelse, hvis der kan udvikles superopløselig ECL-mikroskopi-ultrahøj spatiotemporal billeddannelse, der bryder den optiske diffraktionsgrænse.

I løbet af de sidste tre år har Feng og hans team har arbejdet på disse to store problemer. De udviklede et kombineret vidfelt optisk billeddannelses- og elektrokemisk optagesystem og byggede en effektiv ECL -kontrol, opsætning af målinger og billeddannelse. De udførte den første widefield-billeddannelse af enkeltmolekylære ECL-reaktioner og på styrken af ​​dette, de opnåede den første superopløsning ECL-billeddannelse. Uden let excitation, denne enkeltmolekylære ECL-mikroskopi kan opnå enkeltmolekylær superopløsningsbilleddannelse, som har et stort potentiale for anvendelser inden for kemiske målinger og biologisk billeddannelse.

Hvorfor er det svært at rumligt fange enkeltmolekylære signaler under ECL-processen? Det tilskrives primært det faktum, at enkeltmolekylære reaktioner er svære at kontrollere, spore og registrere. "Kemiske reaktioner med enkeltmolekyle ledsages af ekstremt svag optisk, elektriske og magnetiske signalændringer, og processen med kemiske reaktioner og det sted, hvor kemisk reaktion forekommer, er stokastisk, "sagde Feng.

Til denne ende, Feng og hans kolleger byggede et følsomt detektionssystem, der kan fange luminescenssignaler genereret efter enkeltmolekylære reaktioner. "Imaging enkeltreaktioner kræver rumlig og tidsmæssig isolering af individuelle reaktionshændelser, "sagde Feng." Dette opnås i vores tilfælde ved at bruge fortyndede løsninger og hurtige kamerakøb, "sagde Dong Jinrun, en ph.d. kandidat til forskergruppen.

Mikroskopi er et afgørende værktøj inden for materialevidenskab og life science. Konventionel optisk mikroskopi fungerer på skalaen på hundredvis af nanometer og derover, mens højopløselig elektronmikroskopi og scanningsprobesmikroskopi kan afsløre objekter ned til atomskalaen. "I denne skala, der er stadig et meget begrænset antal teknologier til rådighed for in situ, dynamiske og løsningsobservationer i længdeskalaer fra et par nanometer til hundredvis af nanometer, "sagde Feng, "Dette har meget at gøre med utilstrækkelig optisk billeddannelsesopløsning på grund af den optiske diffraktionsgrænse." Derfor, teamet begyndte at arbejde med superopløselig ECL-billeddannelse ved spatiotemporalt at isolere enkeltmolekylære signaler.

Inspireret af superopløselig fluorescensmikroskopi, de anvendte den optiske rekonstruktion af lokaliserede rumlige molekylære reaktioner til billeddannelse. Dette svarer til, hvordan man kan skelne mellem to tilstødende stjerner om natten ved deres "blinkende" opførsel. "Den rumlige lokalisering af luminescenssteder og superpålæggelse af information vedrørende hver ramme af isolerede molekylære reaktionssteder udgør en 'konstellation' af kemiske reaktionssteder."

For at bekræfte gennemførligheden af ​​denne billeddannelsesmetode og nøjagtigheden af ​​lokaliseringsalgoritmen, teamet fremstillede et mønster af strippet elektrode som en kendt billeddannelsesskabelon og gennemførte sammenlignende billeddannelse. Resultaterne af enkeltmolekyle ECL-billeddannelse stemte godt overens med resultaterne af elektronmikroskopi-billeddannelse i struktur, verificere gennemførligheden af ​​denne billeddannelsesmetode. Enkeltmolekyle ECL-billeddannelse øgede den rumlige opløsning af konventionel ECL-mikroskopi til en hidtil uset 24 nanometer.

Feng Jiandong og hans kolleger fortsatte med at anvende enkeltmolekylær ECL-billeddannelse på cellebilleddannelse. Der var ikke behov for direkte mærkning for ECL -celleafbildning, som kan være potentielt venlige for celler, da den traditionelle mærkningsproces kan påvirke celletilstanden. De udførte yderligere enkeltmolekyle ECL-billeddannelse på celleadhæsioner og observerede deres dynamik over tid. Ved at sammenligne de korrelerede ECL-billeddannelses- og superopløsningsfluorescensbilledresultater, de fandt ud af, at ECL-billeddannelse udviste høj rumlig opløsning, der kunne sammenlignes med fluorescensmikroskopi med superopløsning, samtidig med at man undgik brug af lasere og cellemærkning.

"Forfatternes fund åbner vejen for et nyt koncept inden for billeddannelse:en kemibaseret tilgang til superopløselig mikroskopi, "Prof. Frédéric Kanoufi fra University of Paris og professor Neso Sojic fra University of Bordeaux skrev i en ledsagende kommentar i Natur tidsskrifts nyheder og synspunkter. "Det kan også føre til udvikling af nye strategier for bioassays og cellebilleddannelse, komplementere veletablerede fluorescensbaserede enkeltmolekylære mikroskopiteknikker. "